半導(dǎo)體器件物理與工藝 第6章

1、 第6章 MOSFET及相關(guān)器件n6.1 MOS二極管n6.2 MOSFET基本原理n6.3 MOSFET按比例縮小n6.4 CMOS與雙極型CMOSn6.5 絕緣層上MOSFETn6.6 MOS存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)相關(guān)主題1 MOS二極管的VT與反型條件2 MOSFET基本特性3 按比例縮小理論與短溝道效應(yīng)的關(guān)系4 低功耗CMOS邏輯5 MOS存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)基本FET結(jié)構(gòu) 6.1 MOS二極管 MOS二極管是MOSFET器件的樞紐；在IC中，亦作為一儲(chǔ)存電容器；CCD器件的基本組成部分。 6.1.1 理想MOS二極管n理想P型半導(dǎo)體MOS二極管的能帶圖：n功函數(shù)（金屬的m和半導(dǎo)體的s ）n電子親和力n理想

2、MOS二極管定義：n零偏壓時(shí)，功函數(shù)差ms為零；n任意偏壓下，二極管中的電荷僅位于半導(dǎo)體之中，且與鄰近氧化層的金屬表面電荷量大小相等，極性相反；n直流偏壓下，無(wú)載流子通過(guò)氧化層。 MOS二極管中三個(gè)分離系統(tǒng)的能帶圖二極管中三個(gè)分離系統(tǒng)的能帶圖 半導(dǎo)體表面三種狀態(tài) v隨金屬與半導(dǎo)體所加的電壓VG而變化，半導(dǎo)體表面出現(xiàn)三種狀態(tài)：基本上可歸納為堆積、耗盡和反型三種情況。v以P型為例，當(dāng)一負(fù)電壓施加于金屬上，在氧化層與半導(dǎo)體的界面處產(chǎn)生空穴堆積，積累現(xiàn)象。v外加一小量正電壓，靠近半導(dǎo)體表面的能帶將向下彎曲，使多數(shù)載流子（空穴）形成耗盡耗盡現(xiàn)象。v外加一更大正電壓，能帶向下彎曲更嚴(yán)重，使表面的Ei越過(guò)E

3、F,當(dāng)電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度時(shí)反型現(xiàn)象。 三三種種狀狀態(tài)態(tài) 由p型半導(dǎo)體構(gòu)成的MOS結(jié)構(gòu)在各種VG下的表面勢(shì)和空間電荷分布：表面電勢(shì)s：ss0 空穴耗盡；s = B 禁帶中心，ns=np=ni；s B 反型（ s 2B 時(shí)，強(qiáng)反型）；強(qiáng)反型時(shí)，表面耗盡區(qū)的寬度達(dá)到最大值：Qs=Qn+Qsc=Qn-qNAWm理想MOS二極管的C-V曲線V=Vo+sC=CoCj/(Co+Cj)強(qiáng)反型剛發(fā)生時(shí)的金屬平行板電壓閾值電壓一旦當(dāng)強(qiáng)反型發(fā)生時(shí)，總電容保持在最小值Cmin。理想MOS二極管的C-V曲線理想情況下的閾值電壓：強(qiáng)反型發(fā)生時(shí)，Cmin：BBs2)2(2(inv)oAsomATCqNCWqNVmsox

4、oxWdC)/(min6.1.2 實(shí)際MOS二極管 金屬-SiO2-Si為廣泛研究，但其功函數(shù)差一般不為零，且在氧化層內(nèi)部或SiO2-Si界面處存在的不同電荷，將以各種方式影響理想MOS的特性。一、功函數(shù)差鋁：qm=4.1ev；高摻雜多晶硅：n+與p+多晶硅的功函數(shù)分別為 4.05ev和5.05ev；隨著電極材料與硅襯底摻雜濃度的不同，ms發(fā)生很大變化；為達(dá)到理想平帶狀態(tài)，需外加一相當(dāng)于功函數(shù)的電壓，此電壓成為平帶電壓（VFB）。金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響v曲線（1）為理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V曲線v曲線（2）為金屬與半導(dǎo)體有功函數(shù)差時(shí)的C-V曲線 二、界面陷阱與氧化層電荷

5、主要四種電荷類(lèi)型：界面陷阱電荷、氧化層固定電荷、氧化層陷阱電荷和可動(dòng)離子電荷。實(shí)際MOS二極管的C-V曲線平帶電壓：實(shí)際MOS二極管的閾值電壓：ootmfmsFBCQQQVBBs2)2(2(inv)oAsFBomAFBTCqNVCWqNVV6.1.3 CCD器件 三相電荷耦合器件的剖面圖6.2 MOSFET基本原理 MOSFET的縮寫(xiě)：IGFET、MISFET、MOST。 1960年，第一個(gè)MOSFET首次制成，采用熱氧化硅襯底，溝道長(zhǎng)度25um，柵氧化層厚度100nm（Kahng及Atalla）。 2001年，溝道長(zhǎng)度為15nm的超小型MOSFET制造出來(lái)。NMOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)晶

6、體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)PMOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號(hào)工作方式線性區(qū)6.2.1 基本特性 工作方式飽和區(qū) 過(guò)飽和推導(dǎo)基本推導(dǎo)基本MOSFET特性特性理想電流電壓特性基于如下假設(shè)1 柵極結(jié)構(gòu)理想；2 僅考慮漂移電流；3 反型層中載流子遷移率為固定值；4 溝道內(nèi)雜質(zhì)濃度為均勻分布；5 反向漏電流可忽略；6 溝道內(nèi)橫向電場(chǎng)縱向電場(chǎng)7 緩變溝道近似。推導(dǎo)基本推導(dǎo)基本MOSFET特性特性簡(jiǎn)要過(guò)程：1 點(diǎn)y處的每單位面積感應(yīng)電荷Qs（y）；2 點(diǎn)y處反型層里的每單位面積電荷量 Qn（y）；3 溝道中y處的電導(dǎo)率；4 溝道電導(dǎo)；5 dy片段的溝道電阻、電壓降；6 由源極（y=0,V=

7、0）積分至漏極(y=L,V=VD)得ID。溝道放大圖（線性區(qū)）溝道放大圖（線性區(qū)）理想MOSFET的電流電壓方程式：線性區(qū)：)2()2(232)22(u2/3B3/2BBnDoAsDDGoDVCqNVVVCLZIDTGoDVVVCLZI)(un)(TGDVVV)(u|nCVGTGoDDDVVCLZVIgDoGDmVCLZVIgnCVu|D截止區(qū)：ID 0 VG VT 長(zhǎng) 溝長(zhǎng) 溝 M O S F E T 的 輸 出 特 性的 輸 出 特 性飽和區(qū)：)/211 (222BKVKVVGGDsatoAsCqNK2n)(2u(TGoDsatVVLCZI)(u|nCVDTGoGDmVVCLZVIg0Dg

8、DsatDVV轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線+提取閾提取閾值電壓值電壓+研究亞研究亞閾特性閾特性舉例：對(duì)一n型溝道n型多晶硅-SiO2-Si的MOSFET，其柵極氧化層厚度為8nm，NA=1017cm-3，VG=3V，計(jì)算飽和電壓。VKVKVVGGDsat51. 1)/211 (222B3 . 0oAsCqNK 解： Co= ox/d =4.3210-7F/cm2VB84. 02亞閾值區(qū)當(dāng)柵極電壓小于閾值電壓，且半導(dǎo)體表面弱反型時(shí)，-亞閾值電流；在亞閾值區(qū)內(nèi)，漏極電流由擴(kuò)散主導(dǎo)；在亞閾值區(qū)內(nèi)，漏極電流與VG呈指數(shù)式關(guān)系；亞閾值擺幅：（lgID）/ VG -1。亞亞0.1微米微米MOSFET器件的發(fā)展

9、趨勢(shì)器件的發(fā)展趨勢(shì)N+ (P+)N+ (P+)P (N)Source Gate DrainN+(P+)6.2.2 MOSFET種類(lèi)N溝增強(qiáng)型N溝耗盡型P溝增強(qiáng)型P溝耗盡型轉(zhuǎn)移特性輸出特性6.2.3 閾值電壓控制閾值電壓可通過(guò)將離子注入溝道區(qū)來(lái)調(diào)整；通過(guò)改變氧化層厚度來(lái)控制閾值電壓，隨著氧化層 厚度的增加，VTN變得更大些，VTP變得更小些；加襯底偏壓；選擇適當(dāng)?shù)臇艠O材料來(lái)調(diào)整功函數(shù)差。oBSBAsBFBTCVqNVV)2(226.2.4 MOSFET的最高工作頻率 當(dāng)柵源間輸入交流信號(hào)時(shí)，由源極增加（減少）流入的電子流，一部分通過(guò)溝道對(duì)電容充（放）電，一部分經(jīng)過(guò)溝道流向漏極，形成漏極電流的增量

10、。當(dāng)變化的電流全部用于對(duì)溝道電容充（放）電時(shí)，MOS管就失去放大能力。 最高工作頻率定義為：對(duì)柵輸入電容的充（放）電電流和漏源交流電流相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的工作頻率， )(222TGSnmmmGSmGSmVVLfCgfVgCV6.2.5 MOSFET的二階效應(yīng)1. 襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）2. 溝道調(diào)制效應(yīng)3. 亞閾值導(dǎo)電MOS管的開(kāi)啟電壓VT及體效應(yīng)sisubTHTH0FSBFox2q NV=V+2 +V-2 , =C無(wú)體效應(yīng)無(wú)體效應(yīng)源極跟隨器源極跟隨器 有體效應(yīng)有體效應(yīng)體效應(yīng)系數(shù)，體效應(yīng)系數(shù)，VBS0時(shí)，時(shí)， 0MOS管體效應(yīng)的Pspice仿真結(jié)果Vb=0.5vVb=0vVb=-0.5vIdVg體效

11、應(yīng)的應(yīng)用：體效應(yīng)的應(yīng)用：利用襯底作為利用襯底作為MOS管的第管的第3個(gè)輸入端個(gè)輸入端利用利用VT減小用于低壓電源電路設(shè)計(jì)減小用于低壓電源電路設(shè)計(jì)溝道調(diào)制效應(yīng))V1 ()(2u(DS2nTGoDSVVLCZI)1)(LL(,SATDSDSVVL 溝道發(fā)生夾斷后，有效溝道長(zhǎng)度L實(shí)際上是VDS的函數(shù)。L/ L= VDS， 稱為溝道調(diào)制系數(shù)。BSATDSDSsiqNVVL)(2, 的大小與溝道長(zhǎng)度及襯底濃度有關(guān)。 溝道調(diào)制系效應(yīng)改變了MOS管的I/V特性，進(jìn)而改變了跨導(dǎo)。輸出阻抗 r。約為1/ (ID)。MOSFET的溝道調(diào)制效應(yīng)LLL = L -L11L=(1 +)LLLDSDS11L=(1+ V

12、), V=LLL2noxDGSTHDS C WI=(V- V) (1 + V)2L6.2.6 MOSFET的溫度特性體現(xiàn)在閾值電壓、溝道遷移率與溫度的關(guān)系：1. VTT的關(guān)系對(duì)NMOS：T 增加，VTN減?。粚?duì)PMOS：T 增加，VTP增加。2. T的關(guān)系 若E1；3.電源所提供的最大電流大于寄生可控硅導(dǎo)通所需要的維持電流IH。Latch-up (閂鎖效應(yīng))避免閂鎖效應(yīng)，工藝上可采取的措施：使用金摻雜或中子輻照，以降低少數(shù)載流子壽命阱結(jié)構(gòu)或高能量注入以形成倒退阱，可以提升基極雜質(zhì)濃度將器件制作在高摻雜襯底上的低摻雜外延層中采用溝槽隔離結(jié)構(gòu) CMOS開(kāi)關(guān)（傳輸門(mén)）BiCMOS Bi-CMOS工藝

13、是把雙極器件和CMOS器件同時(shí)制作在同一芯片上，它綜合了雙極器件高跨導(dǎo)、強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力和CMOS器件高集成度、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，使其互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，它給高速、高集成度、高性能的LSI及VLSI的發(fā)展開(kāi)辟了一條新的道路。6.5 絕緣層上MOSFET（SOI） MOSFET被制作在絕緣襯底上，如果溝道層為非晶或多晶硅時(shí)，稱為薄膜晶體管（TFT）；如溝道層為單晶硅，稱為SOI。 氫化非晶硅TFT是大面積LCD以及接觸影像傳感器等電子應(yīng)用中的重要器件。 多晶硅TFT比氫化非晶硅TFT有較高的載流子遷移率和較好的驅(qū)動(dòng)能力。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：揮發(fā)性與非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。DRAM、SRAM是揮發(fā)性存儲(chǔ)器；

14、非揮發(fā)性存儲(chǔ)器被廣泛應(yīng)用在EPROM、EEPROM、flash等IC中6.6 MOS存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)DRAM存儲(chǔ)單元基本結(jié)構(gòu)SRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)圖UDDV4V2QQV1V3V5V6V7V8I/OI/O列選線 Y行選線 X存儲(chǔ)單元位線D位線D(a)(b)UDDV4V2V6V5V1V3V7V8YI/OI/O位線D位線DX(a) 六管NMOS存儲(chǔ)單元； (b)六管CMOS存儲(chǔ)單元 SIMOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)DSGcGfSiO2NNPDSGfGcEPROM存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)nEPROM的存儲(chǔ)單元采用浮柵雪崩注入MOS管(Floating-gate Avalanche-Injuction Metal-Oxide-Sem

15、iconductor, 簡(jiǎn)稱FAMOS管)或疊柵注入MOS管(Stacked-gate Injuction Metal-Oxide-Semiconductor, 簡(jiǎn)稱SIMOS管)nGf柵周?chē)际墙^緣的二氧化硅，泄漏電流很小，所以一旦電子注入到浮柵之后，就能保存相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間(通常浮柵上的電荷10年才損失30%)。n擦除EPROM的方法是將器件放在紫外線下照射約20分鐘， 浮柵中的電子獲得足夠能量，從而穿過(guò)氧化層回到襯底中， 這樣可以使浮柵上的電子消失，MOS管便回到了未編程時(shí)的狀態(tài)，從而將編程信息全部擦去。Flotox管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)DSGcGfNNP隧道區(qū)DGfGcSE2PROM的存儲(chǔ)單元D1S

16、1V1V2Gc位線（Wi(字線)DiE2PROM的存儲(chǔ)單元nE2PROM的存儲(chǔ)單元采用浮柵隧道氧化層MOS管(Floating-gate Tunnel Oxide MOS，簡(jiǎn)稱Flotox)。n Flotox管也是一個(gè)N溝道增強(qiáng)型的MOS管，與SIMOS管相似，它也有兩個(gè)柵極控制柵和浮柵，不同的是Flotox管的浮柵與漏極區(qū)(N+)之間有一小塊面積極薄的二氧化硅絕緣層(厚度在210-8m以下)的區(qū)域，稱為隧道區(qū)。當(dāng)隧道區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度大到一定程度(107V/cm)時(shí)，漏區(qū)和浮柵之間出現(xiàn)導(dǎo)電隧道，電子可以雙向通過(guò)，形成電流。nE2PROM的編程和擦除都是通過(guò)在漏極和控制柵上加一定幅度和極性的電脈沖實(shí)

17、現(xiàn)的，雖然已改用電壓信號(hào)擦除了，但E2PROM仍然只能工作在它的讀出狀態(tài)，作ROM使用?？扉W存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元DSGcGfNNP隧道區(qū)DGcSGc位線字線DSWiUSSDi(a)(b)(a) 疊柵MOS管； (b) 存儲(chǔ)單元 Flash Memory 快閃存儲(chǔ)器(Flash Memory)是新一代電信號(hào)擦除的可編程ROM。它既吸收了EPROM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程可靠的優(yōu)點(diǎn)，又保留了E2PROM用隧道效應(yīng)擦除快捷的特性，而且集成度可以做得很高。其結(jié)構(gòu)與EPROM中的SIMOS管相似，兩者區(qū)別在于浮柵與襯底間氧化層的厚度不同浮柵與襯底間氧化層的厚度不同。在EPROM中氧化層的厚度一般為3040 nm，在快閃存儲(chǔ)器中僅為 1015 nm, 而且浮柵和源區(qū)重疊的部分是源區(qū)的橫向擴(kuò)散形成的，面積極小, 因而浮柵-源區(qū)之間的電容很小，當(dāng)Gc和S之間加電壓時(shí)，大部分電壓將降在